学以致用为目的的汽车理论教学内容组织及思考

摘 要 汽车理论是车辆工程专业非常重要的一门专业课，不仅理论性强，而且实用性也很强，其内容是汽车设计、汽车应用和汽车试验的重要理论依据。文章详细分析了汽车理论的具体内容，以汽车动力性、汽车操纵稳定性和汽车平顺性中部分章节为例详细探索了以“正确地设计汽车、合理地使用汽车、科学地试验汽车”为教学目的组织教学内容的具体操作办法，从而为汽车理论课程教学内容的组织提供了重要的参考。

关键词 汽车理论 学以致用 设计 使用 试验

中图分类号：G424 文献标识码：A

Apply Their Knowledge for the Purpose of Car Theory

Teaching Content Organization and Thinking

ZOU Xihong， SHI Xiaohui

（College of Vehicle Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054）

Abstract "Car theory" is a very important course of vehicle engineering， not only the theory is strong， but also very practical， its content is an important theoretical basis for automotive design， automotive applications and automotive testing. Detailed analysis of the specific content of automotive theory， to vehicle dynamics， vehicle handling and stability， and in sections of the ride vehicles， for example a detailed exploration of a "properly designed car， rational use of cars， scientifically test car" for the purpose of teaching the organization's specific operational methods of teaching content， thus provides an important reference for the "car theory" organization teaching content.

Key words "car theory"； apply the knowledge； design； use； test

0 引言

一辆受欢迎的汽车必然具备“好用、好修、好造、好看”四大特点。好用和好造占主导地位，但两者之间又是矛盾的，好用的汽车不太好造，好造的汽车不太好用。随着汽车的使用要求的提高，必然对汽车结构提出改进， 而使得对汽车的制造水平提出新要求，只有制造水平较高，才能保证新结构的实施和应用。

“好用、好修、好造、好看”四大特点对于汽车来说可理解为“性能良好、维修方便、易于制造、美观大方” ，对于广大汽车消费者和用户来说，好用是最重要的，也就是汽车性能良好是最重要的。汽车性能良好主要表现在运输生产率高、运输成本低、安全可靠、舒适方便。汽车理论这门课程就是为了解决汽车性能良好即汽车好用的问题。①②

汽车理论是车辆工程专业一门专业核心课程。目前，汽车理论教材普遍采用清华大学余志生主编的第五版，③内容包括七章，第一章为汽车的动力性，第二章为汽车的燃油经济性，第三章为汽车动力装置参数的选定，第四章为汽车的制动性，第五章为汽车的操纵稳定性，第六章为汽车的平顺性，第七章为汽车的通过性。其中动力性、制动性、通过性、操纵稳定性、平顺性的提高可以提高运输生产效率；燃油经济性提高，可以明显降低油耗，从而降低运输成本；制动性、平顺性、操纵稳定性与安全、舒适方便地运输密切相关。④

汽车理论的具体内容是在分析汽车运动的基本规律基础上，以理论分析和实验研究相结合的方法，研究汽车的主要使用性能和结构参数之间的内在联系，分析汽车的主要使用性能的各种影响因素，从而指出正确地设计汽车，合理地使用汽车以及科学地试验汽车的途径。因此在教学内容上要紧紧扣住“正确地设计汽车、合理地使用汽车、科学地试验汽车”这一目的，让学生学了汽车理论之后能够真正体会到如何正确地设计汽车、合理地使用汽车、科学地试验汽车，从而达到学以致用的目的。

1 以“正确地设计汽车”这一目的组织教学内容

以第一章和第三章为例，相关计算分析都是在汽车主要参数设定后进行性能计算，为让学生对“正确的设计汽车”有深刻的认识，能否增加有了汽车动力性参数后怎么设计汽车的主要参数呢。比如，采用一个设计实例，设计一辆增程式电动车，其主要参数如表1所示。

表1 主要设计参数

第一步，需要计算电机参数，首先是电机的功率需要取多大才能满足动力性参数呢，这就需要用到动力性中发动机功率的选择问题，为同时满足最高车速和最大爬坡度，则需要分别进行计算，当满足最高车速时，车辆在平直的路面上匀速行驶，只有滚动阻力和空气阻力，则可以应用教材（3-1）式即式（1）计算达到最高车速需要的功率；当满足最大爬坡度时，由于坡度阻力不能忽略，因此按式（2）计算满足最大爬坡度时的功率：

所以

按10km/h车速爬最大坡度需要的功率为：

所以

因此，驱动电机功率 = （，） = 33.141（kW），取35kW。

第二步，需要对轮边最大转矩进行估算，初取轮胎半径 = 400mm。

若是4轮驱动，单轮驱动转矩为1420.8/4=355.2（N.m）

第三步，对驱动电机（电动机）转矩转速进行估算，初取传动系最小传动比 = 3.6，则驱动电机转矩为：

驱动电机转速为 = = = 3342，取3500rpm，

此时对应车速为： = = 140>100km/h，满足动力性要求。

第四步，可以根据式（3）计算电池总能量，然后进行电池的选择。

= （3）

实际上，这样的设计例子可以方便地在网络上进行下载，通过这样的例程，让学生深刻体会怎么着手去设计汽车的动力性，从而达到“正确地设计汽车”这一目的。

2 以“合理地使用汽车”这一目的组织教学内容

汽车理论中实际上各个章节都与汽车使用息息相关，而用户本身最关心的油耗、安全相关的理论在教材中占了很大比例，如第二章汽车的燃油经济性、第四章汽车的制动性和第五章汽车的操纵稳定性，这几章对于如何合理地使用汽车提供了大量的理论基础，例如对于汽车的操纵稳定性，主要就是研究汽车实际转向行驶轨迹与驾驶员期望转向行驶轨迹之间的差异，对于新驾驶员，往往觉得汽车老是不按自己预想的轨迹来行驶，总是不断在修正方向盘，既感觉车辆不可控，同时自己也感到非常紧张。因此，为解决合理地驾驶汽车，可以以汽车最终的转向效果来组织教学内容。由于轮胎是弹性体、再加上悬架等各大系统的影响，汽车实际最终转向时的实际转向效果由四部分组成，即：

汽车最终的转向效果 = 驾驶员的意图 + 弹性侧偏角 + 侧倾转向角 + 变形转向角。

因此，操纵稳定性部分内容主要就是汽车最终转向效果的四部分。

2.1 驾驶员的意图

当路面出现弯道时，驾驶员出现转向意图，第一反应就是打方向盘，就会得到一个前轮转角，同时汽车会产生一横摆角速度，汽车简化模型如图1所示，此时横摆角速度与前轮转角之间的关系如式（4）所示。

图1 驾驶员转向意图简化模型

图2 考虑弹性侧偏特性简化模型

因此，这部分内容重点组织驾驶员执行转向意图后人―车闭环系统如何表征、描述和评价。

2.2 弹性侧偏角

弹性侧偏角应该是操纵稳定性中最终转向效果的最重要部分，在课程中的内容也是最重要部分。要掌握弹性侧偏角，首先从轮胎侧偏特性着手，在轮胎侧偏特性作用下，轮胎会产生弹性侧偏转向，从而产生侧偏转向角，此时汽车也会产生一横摆角速度，此时汽车简化模型如图2所示，稳态横摆角速度与前轮转角之间的关系如式（5）所示。

= （5）

因此，这部分内容重点组织轮胎弹性侧偏特性及侧偏角的产生、侧偏特性的影响因素、考虑轮胎侧偏特性的线性二自由度模型前轮角阶跃输入下的响应，重点包括稳态响应和瞬态响应。稳态响应部分重点讨论转向半径、转向灵敏度、稳定性因素、特征车速或临界车速、前后轮侧偏角绝对值之差、转向半径比、静态储备系数这7个表征稳态响应的参数如何表征稳态响应及稳态响应的量；瞬态响应重点围绕响应的显性解、显性解稳定收敛的条件及响应品质展开。

2.3 侧倾转向角和变形转向角

侧倾转向角和变形转向角部分主要是汽车在使用过程中，由于转弯，车轮跳动等导致汽车产生侧倾运动，侧倾后车轮载荷会产生转移，相关机构会产运动和变形，使外倾角和前束等发生变化，不仅影响弹性侧偏角，而且还会额外产生侧倾转向角和变形转向角，而这部分内容重点抓住在弹性转向角基础上进行修正（加加减减）。这部分重点讨论汽车如何产生侧倾，如何得到侧倾角，产生侧倾后对弹性侧偏角的影响、产生侧倾后各机构的运动和变形情况等，从而分析侧偏角的加加减减。

3 以“科学地试验汽车”这一目的组织教学内容

汽车理论讲述的各大性能的分析和评价数据都必须要通过测量和试验得到，而在进行汽车相关性能试验时，必须有相关理论作指导，因此在组织教学内容时可以重点突出科学地试验汽车为目的展开。比如，以汽车平顺性试验为例，对于平顺性试验主要包括汽车振动系统中各部件振动参数（固有频率和阻尼比等）的测量试验和振动输出的测量试验，前者试验数据主要用于对振动系统的设计、优化和验证，后者试验数据主要用于平顺性的分析和评价。

3.1 汽车振动系统中各部件参数的测量试验

汽车振动系统中各部件参数主要包括悬架固有频率、悬架阻尼比、车轮固有频率、车轮阻尼比等，若对这些参数进行正确测量，就需要制定正确的测量方法、采用正确的测量设备，其相关的理论基础就是汽车振动系统模型和固有频率和阻尼比等参数对振动系统特性的影响，教学内容可以围绕这些重点展开。如汽车悬架系统部分固有频率和阻尼比的测量，正是用到单质量和双质量系统的自由振动衰减曲线（图3）进行测量和计算的。

图3 悬架系统衰减振动曲线

图4 人体坐姿三点十二轴受振模型

另外，汽车振动系统中各部件参数的测量试验往往在室内台架上进行，这就会涉及到室内试验台架的设计和选择问题，在设计或选择试验台时，就会涉及到试验台激振输入的选择，这时就会用到路面不平度的统计特征相关理论知识，首先要清楚路面不平度输入的频率和幅值的范围，清楚汽车振动系统的固有频率，才会合理选择激振器的频率和振幅量程，因此，这部分内容可以重点围绕典型路面不平度统计特征分析方面进行。

3.2 汽车振动响应输出的测量试验

对于汽车振动响应输出的测量试验主要在室外道路上进行，其主要内容就是测量传感器的选取及测点布置，测量参数的设置和测量路面，以及测量数据的分析等。比如平顺性评价道路试验中，必须紧紧围绕人体对振动的反应和平顺性评价方法进行，首先要知道图4所示人体坐姿三点十二轴受振模型才能正确布置和安装传感器，熟悉平顺性评价方法才能正确选取传感器、测量参数、数据分析方法等。

4 结论

一辆受欢迎的汽车必然具备“好用、好修、好造、好看”四大特点，而汽车理论正好是为了解决用户最关注的汽车性能良好即汽车好用的问题。本文以汽车理论中的部分章节为例，详细探索了以“正确地设计汽车、合理地使用汽车、科学地试验汽车”为教学目的组织教学内容的具体操作办法，旨在抛砖引玉，为汽车理论教学的实用性探索出一种新方法。

注释

① 何光里.汽车运用工程师手册.人民交通出版社，1993.

② 高延龄.汽车运用工程.人民交通出版社，2004.

③ 余志生主编.汽车理论.机械工业出版社，2010.7.

④ 张京明，崔智全，刘清河，周遐余.提高汽车理论教学效果的方法研究.教学研究，2013.36（3）：72-74.